鄒 旺，黃尚宇，廖 軒，雷 雨，孟正華，胡建華

(1.武漢理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，湖北 武漢430070;2.武漢理工大學(xué) 汽車工程學(xué)院，湖北 武漢430070)

蠕變時(shí)效成形技術(shù)是20 世紀(jì)50 年代初為成形整體壁板零件而開發(fā)的技術(shù)，即利用時(shí)效處理得到材料所需性能，同時(shí)利用材料在一定溫度(人工時(shí)效溫度)和彈性應(yīng)力作用下發(fā)生的蠕變變形，從而得到滿足一定形狀的結(jié)構(gòu)件［1-2］。該技術(shù)適用于可時(shí)效強(qiáng)化型合金且具有復(fù)雜外形和結(jié)構(gòu)的整體壁板構(gòu)件。目前該成形技術(shù)已被應(yīng)用于飛機(jī)蒙皮和壁板的制造中，如美國某軍用飛機(jī)上下機(jī)翼蒙皮和壁板，以及大型民用飛機(jī)A380 機(jī)翼壁板，由于蠕變時(shí)效成形具有其獨(dú)特優(yōu)勢，被認(rèn)為是下一代大飛機(jī)制造中重要的金屬成形工藝，在我國大飛機(jī)研制中具有廣泛的應(yīng)用前景［3-4］。

國內(nèi)關(guān)于蠕變時(shí)效成形的研究起步較晚，但近幾年相關(guān)研究工作已逐漸增多。黃遐等［5］研究了7075 鋁合金蠕變時(shí)效成形回彈規(guī)律，試驗(yàn)結(jié)果表明，回彈率隨蠕變時(shí)效時(shí)間的增加而減小，隨溫度的升高而迅速減小，隨預(yù)彎曲半徑的增大而增大，隨厚度的增加而逐漸減小。呂源等［6］開展了壁板結(jié)構(gòu)對蠕變時(shí)效成形回彈影響的研究，發(fā)現(xiàn)筋條、凸臺、凹槽3 個(gè)結(jié)構(gòu)因素占全部因素權(quán)重的41%，表明成形件的結(jié)構(gòu)因素對其成形影響很大。鄭英等［7］研究了單曲率網(wǎng)格筋條壁板蠕變時(shí)效成形的特點(diǎn)及規(guī)律，結(jié)果表明網(wǎng)格筋條壁板的蠕變時(shí)效成形過程是一個(gè)非線性成形過程。湛利華等［8］基于鋁合金時(shí)效成形機(jī)理的蠕變統(tǒng)一本構(gòu)方程，對7055 鋁合金帶筋板蠕變時(shí)效成形過程進(jìn)行仿真模擬，發(fā)現(xiàn)筋條對成形件的回彈起到一定的抑制作用，蠕變時(shí)效后帶筋板的幾何形狀由筋條的塑性應(yīng)變和成形件的蠕變共同決定。

盡管蠕變時(shí)效成形過程的數(shù)值模擬技術(shù)取得了一定進(jìn)展，但總體上還尚未成熟，比如模擬中的理想條件在工程實(shí)踐中無法實(shí)現(xiàn)，模擬精度低而缺乏參考性［9-10］。目前國內(nèi)外對帶筋壁板的蠕變時(shí)效成形均采用傳統(tǒng)的熱壓罐模式，即將待成形工件一次性加載貼合模具，達(dá)到工件的目標(biāo)形狀［11-13］。筆者所采用的漸進(jìn)蠕變時(shí)效成形是將待成形件依次裝夾在曲率半徑可逐漸減小的模具中進(jìn)行分步成形，直至達(dá)到目標(biāo)形狀，以此控制板料回彈、避免板料上的筋條失穩(wěn)。

1 蠕變時(shí)效成形工藝過程

如圖1 所示，典型的蠕變時(shí)效成形工藝可分為3 個(gè)階段［14］：①加載。在室溫下，通過一定的加載方式使金屬零件產(chǎn)生一定變形，并將其固定在預(yù)設(shè)的工裝上;②蠕變時(shí)效。將零件和工裝一起置入保溫爐或熱壓罐內(nèi)，在零件材料的人工時(shí)效溫度內(nèi)保溫一段時(shí)間，材料在此過程中由于蠕變、應(yīng)力松弛和時(shí)效的綜合作用，內(nèi)部組織和性能發(fā)生變化。③卸載。保溫結(jié)束后，去除工裝約束，零件上的部分彈性應(yīng)變在蠕變和應(yīng)力松弛的作用下轉(zhuǎn)變?yōu)橛谰玫乃苄詰?yīng)變，零件在完成時(shí)效處理的同時(shí)獲得所需外形。

圖1 蠕變時(shí)效成形原理

2 蠕變時(shí)效成形有限元模擬

2.1 本構(gòu)方程

該模擬采用Norton-Bailey 蠕變方程［15］：

其中，A，m，n均為與溫度有關(guān)的材料常數(shù)，m＞1，1≥n＞0，可根據(jù)不同應(yīng)力和溫度下的單軸蠕變拉伸實(shí)驗(yàn)測得。筆者分析的對象為7075 鋁合金，其蠕變常數(shù)如表1 所示。

表1 7075 鋁合金材料的蠕變常數(shù)

2.2 有限元模型的建立

運(yùn)用有限元軟件ABAQUS 建立單曲率外形零件的蠕變時(shí)效成形有限元模型。鋁合金板零件尺寸為400 mm×200 mm，厚度為4 mm，加強(qiáng)筋高度為15 mm，厚度為4 mm，其尺寸如圖2 所示。模具型面半徑R0分別為3 000 mm、2 600 mm、2 200mm、1 800 mm、1 400 mm、1 000 mm。

圖2 7055 鋁合金帶筋板幾何尺寸(單位mm)

分析中，模具設(shè)定為解析剛體并固定，板料為可變形體。蠕變模型采用ABAQUS 軟件中的Time hardening form 模型，采用表1 中的蠕變常數(shù)。板料成形時(shí)上表面施加均布?xì)鈮?，零件與模具之間采用Coulomb 摩擦模型，摩擦系數(shù)k=0.3。為了提高計(jì)算效率和精度，將帶筋板劃分為六面體網(wǎng)格，如圖3 所示。

圖3 7055 鋁合金帶筋板有限元分析模型

根據(jù)蠕變時(shí)效成形工藝過程，建立以下3 個(gè)分析步驟。

(1)將模具固定，板料裝配到一定曲率半徑的模具上，在板料上表面施加0.5 MPa 的均布載荷，使其發(fā)生變形并與模具表面貼合。

(2)保持載荷及零件的變形量不變，在120 ℃時(shí)效溫度下保溫3 h，此時(shí)材料發(fā)生應(yīng)力松弛，部分彈性應(yīng)變轉(zhuǎn)變?yōu)槿渥儜?yīng)變。

運(yùn)行上，制訂激勵(lì)措施，營造編纂氛圍，努力調(diào)動牽頭處室和參與部門（單位）的積極性，眾手成志，齊心協(xié)力，分工負(fù)責(zé)，相互配合，每個(gè)階段及時(shí)召開運(yùn)行會議，共同商討志稿問題，創(chuàng)先爭優(yōu)，督促落后，保證了編纂工作有序推進(jìn)、平穩(wěn)運(yùn)行。正確處理繼承與創(chuàng)新、前志與續(xù)志、實(shí)際與理論的關(guān)系，在篇目設(shè)置符合發(fā)展實(shí)際、記述內(nèi)容隨事業(yè)發(fā)展拓展范圍、圖文并茂直觀反映現(xiàn)實(shí)等方面進(jìn)行了有益探索，取得了一定成效。

(3)卸載。板料發(fā)生回彈，提取應(yīng)力應(yīng)變及回彈量。

以上3 個(gè)分析步驟完成一次蠕變時(shí)效成形，然后從ABAQUS 軟件中導(dǎo)出成形后的板料，再導(dǎo)入到另一個(gè)模具曲率半徑更小的模型中，完成新一輪蠕變時(shí)效成形。如此重復(fù)上述過程，最終得到達(dá)到一定彎曲標(biāo)準(zhǔn)的成形件，計(jì)算總的回彈量和筋條形變，漸進(jìn)蠕變時(shí)效成形流程如圖4 所示。

圖4 漸進(jìn)蠕變時(shí)效成形流程圖

3 模擬結(jié)果對比分析

3.1 直接蠕變時(shí)效結(jié)果分析

分析步驟(1)中，加載后板料完全貼合模具，筋板的最大等效應(yīng)力為471 MPa;分析步驟(2)中，保溫蠕變時(shí)效18 h 后，帶筋板的最大等效應(yīng)力為281 MPa;分析步驟(3)中，卸載回彈后，筋板的最大等效應(yīng)力為168 MPa。分析步驟(1)中，板料貼合模具后，筋條已出現(xiàn)失穩(wěn)起皺變形，即便最后卸載回彈，起皺破壞依然存在，造成了不可恢復(fù)性破壞。從圖5 所示的應(yīng)力云圖可以看出，整個(gè)過程中，腹板區(qū)一直都處于低應(yīng)力狀態(tài)，并在彈性變形范圍內(nèi);筋條及筋條腹板結(jié)合區(qū)應(yīng)力相對較高，但最大應(yīng)力不是出現(xiàn)在變形量最大的筋條上，而是在筋條與腹板結(jié)合處，這是因?yàn)榻顥l發(fā)生失穩(wěn)起皺，應(yīng)力得到釋放而減小。

圖5 直接蠕變時(shí)效過程中帶筋板等效應(yīng)力云圖

卸載后，測量對應(yīng)點(diǎn)的位移量，并以此計(jì)算出回彈后工件的曲率半徑Rf為1 107.33 mm。根據(jù)回彈公式SP=(Rf-R0)/Rf(其中，SP為工件回彈率;R0為模具型面曲率半徑)計(jì)算可得工件的回彈率為9.69%。

3.2 漸進(jìn)蠕變時(shí)效結(jié)果分析

將板料先裝配到半徑為3 000 mm 的模具中蠕變時(shí)效3 h，然后將成形件導(dǎo)出，再裝配到半徑為2 600 mm 的模具中均蠕變時(shí)效3 h，接著如此依次在半徑為2 200 mm、1 800 mm、1 400 mm、1 000 mm的模具中均蠕變時(shí)效3 h，得到最終的成形件。分析每個(gè)成形步驟中板料的變形情況，整個(gè)過程中加強(qiáng)筋沒有出現(xiàn)失穩(wěn)起皺損壞，最終得到無損壞成形件。從圖6 所示的應(yīng)力云圖中可以看出，加強(qiáng)筋處于高應(yīng)力狀態(tài)，且加強(qiáng)筋頂端應(yīng)力最大，腹板處于低應(yīng)力狀態(tài)。

圖6 漸進(jìn)蠕變時(shí)效過程帶筋板等效應(yīng)力云圖

圖7 漸進(jìn)蠕變時(shí)效過程中應(yīng)力變化趨勢

每次成形后，板料回彈率相對于前一次有所減小，且減幅略有增大，如圖8 所示。這是由于每次預(yù)彎曲率增大，筋條區(qū)產(chǎn)生的塑性變形增加，以及蠕變時(shí)效總時(shí)間累積增加，使得塑性變形量累積增加的共同結(jié)果。

圖8 漸進(jìn)蠕變時(shí)效過程中回彈率變化趨勢

漸進(jìn)蠕變時(shí)效成形最后在R0為1 000 mm的模具中完成，加載使得板料貼合模具時(shí)最大等效應(yīng)力為578 MPa，蠕變時(shí)效3 h 后最大等效應(yīng)力為296 MPa，卸載回彈后殘余應(yīng)力為198 MPa。回彈后板料曲率半徑Rf為1 146.79 mm，根據(jù)回彈公式SP= (Rf-R0)/Rf計(jì)算得出回彈率為12.80%。相對于直接蠕變時(shí)效成形，漸進(jìn)蠕變時(shí)效成形中板料的最大等效應(yīng)力和回彈率較大，因?yàn)樵诎霃綖? 000 mm 模具中直接成形，加強(qiáng)筋出現(xiàn)失穩(wěn)起皺，高應(yīng)力得到釋放，使得后續(xù)的其他應(yīng)力指標(biāo)也相應(yīng)較低。直接蠕變時(shí)效成形后成形件的回彈率低于漸進(jìn)蠕變時(shí)效成形，這是由于加于強(qiáng)筋的失穩(wěn)起皺，產(chǎn)生了大量的塑性變形，抑制了板料回彈。

4 結(jié)論

(1)帶筋壁板蠕變時(shí)效成形中應(yīng)力分布不均，筋條腹板區(qū)應(yīng)力較小，筋條區(qū)、筋條與腹板結(jié)合區(qū)應(yīng)力較大。直接蠕變時(shí)效成形由于筋條失穩(wěn)應(yīng)力釋放，最大應(yīng)力出現(xiàn)在筋條與腹板的結(jié)合區(qū);漸進(jìn)蠕變時(shí)效成形最大應(yīng)力位于筋條上部。

(2)直接蠕變時(shí)效成形后帶筋板的回彈率為9.69%，筋條發(fā)生嚴(yán)重失穩(wěn)變形;漸進(jìn)蠕變時(shí)效成形后帶筋板的回彈率為12.80%，筋條沒有出現(xiàn)嚴(yán)重失穩(wěn)變形。

(3)漸進(jìn)蠕變時(shí)效成形的工件回彈率雖然高于直接蠕變時(shí)效成形，但能有效地避免筋條失穩(wěn)破壞，對帶筋板的蠕變時(shí)效成形有重要意義。

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